【初阶数据结构篇】队列的实现（赋源码）

Trouvaille ~2024-07-28 8:54

文章目录

  • 队列
    • [1 代码位置](#1 代码位置)
    • [2 概念与结构](#2 概念与结构)
    • [2 队列的实现](#2 队列的实现)
      • [2.1 队列的初始化和销毁](#2.1 队列的初始化和销毁)
        • [2.1.1 初始化](#2.1.1 初始化)
        • [2.1.2 销毁](#2.1.2 销毁)
      • [2.2 队列插入和删除数据](#2.2 队列插入和删除数据)
        • [2.2.1 队尾插入数据（入队列）](#2.2.1 队尾插入数据（入队列）)
        • [2.2.2 队头删除数据（出队列）](#2.2.2 队头删除数据（出队列）)
      • [2.3 返回队头/队尾数据](#2.3 返回队头/队尾数据)
      • [2.4 返回队列的有效数据个数](#2.4 返回队列的有效数据个数)

队列

1 代码位置

[gitee](Queue/Queue · petrichor/2024-summer-c-language - 码云 - 开源中国 (gitee.com))

2 概念与结构

1.1概念

​ 只允许 在⼀端进行插⼊数据操作，在另⼀端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出FIFO(First In First Out)

​ ⼊队列：进⾏插⼊操作的⼀端称为队尾

​ 出队列：进⾏删除操作的⼀端称为队头

1.2结构

队列也可以数组和链表的结构实现，使⽤链表的结构实现更优⼀些，因为如果使⽤数组的结构，出队列在数组头上出数据，效率会⽐较低。

**数组头删时间复杂度：O(N) ** 数组尾插时间复杂度：O(1)

单链表头删时间复杂度：O(1) 单链表尾插时间复杂度：O(N)

  • 乍一看二者难分伯仲，但如果我们在单链表的结构里再定义一个指向尾结点的指针，那么单链表就可以实现O(1)的尾插时间复杂度，而数组没有什么特别好的办法实现这种转变。

2 队列的实现

Queue.h

c 复制代码 
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode//队列节点的结构,即单链表节点的结构
{
	QDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;
typedef struct Queue//队列的结构,定义指向队列头尾的指针,以及队列节点的个数
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	QDataType size;
}Q;

void QueueInit(Q*);

//入队列,队尾
void QueuePush(Q*, QDataType);

//出队列,队头
void QueuePop(Q*);

//队列判空
bool QueueEmpty(Q*);

//取队头数据
QDataType QueueFront(Q*);

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Q*);

//队列有效元素个数
int QueueSize(Q*);

void QueueDestroy(Q*);

test.c

  • 用来测试我们写的函数(函数的调用)
  • 这一部分就是自己写的时候用的测试用例，随便什么都行

最好是写一个方法测试一次，不然找错误的时候会很痛苦😜

c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
void QueueTest01()
{
	Q q;//定义队列
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	///
	printf("head:%d\n", QueueFront(&q));
	printf("tail:%d\n", QueueBack(&q));
	printf("size:%d\n", QueueSize(&q));
	QueuePop(&q);
	QueueDestroy(&q);
}

int main()
{
	QueueTest01();
	return 0;
}

Queue.c

函数方法的实现，重点重点！！！

在每一个方法的第一排都使用assert宏来判断形参是否为空（避免使用时传入空指针，后续解引用都会报错）

2.1 队列的初始化和销毁

2.1.1 初始化
  • 前面提到，我们在定义队列时，一个结构体用来定义队列，其中有指向队列头尾的指针（其中还有一个size，用来保存链表长度，后面会讲到为什么），另一个就是队列结点的结构，和单链表一样
c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
void QueueInit(Q* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}
  • 和单链表一样，初始化只需让指向队列的指针置为空即可，只不过这里多了一个尾指针，同时队列为空，size=0
  • 链表空间都是按需申请，所以入数据都是通过之后的插入方法一个一个实现的
2.1.2 销毁
c 复制代码 
void QueueDestroy(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	QNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

同单链表

2.2 队列插入和删除数据

2.2.1 队尾插入数据（入队列）

同样的我们先写一个申请结点空间的函数

c 复制代码 
QNode* BuyNode(QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}
  • 根据链表是否为空分两种情况
  • 别忘了size++
c 复制代码 
void QueuePush(Q* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	if (pq->phead == NULL)
		pq->phead = pq->ptail = BuyNode(x);
	else
	{
		pq->ptail->next = BuyNode(x);
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
	pq->size++;
}
2.2.2 队头删除数据（出队列）

删除数据的时候一定要判断队列是否为空!（也可以通过size来判断）

c 复制代码 
bool QueueEmpty(Q* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL && pq->ptail == NULL;
}
  • 根据队列结点个数是否大于一个分两种情况讨论
  • 别忘了size--
c 复制代码 
void QueuePop(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	//只有一个节点的情况,避免ptail变成野指针
	if (pq->ptail == pq->phead)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

2.3 返回队头/队尾数据

c 复制代码 
QDataType QueueFront(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

QDataType QueueBack(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

2.4 返回队列的有效数据个数

  • size作用
    • 首先队列和栈一样，不能进行遍历和随机访问，必须将队头出数据才能访问下一个，这样遍历求个数是不规范的
    • 其次时间复杂度O(N)，程序效率低

所以我们在队列结构里多定义了一个size，很好地解决了这个问题

c 复制代码 
int QueueSize(Q* pq)
{
	assert(pq);

	//不规范且时间复杂度O(n)
	//int size = 0;
	//QNode* pcur = pq->phead;
	//while (pcur)
	//{
	//	size++;
	//	pcur = pcur->next;
	//}
	//return size;


	return pq->size;

}

Queue.c(完整版)

c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
void QueueInit(Q* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}


QNode* BuyNode(QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}


void QueuePush(Q* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	if (pq->phead == NULL)
		pq->phead = pq->ptail = BuyNode(x);
	else
	{
		pq->ptail->next = BuyNode(x);
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
	pq->size++;
}



bool QueueEmpty(Q* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL && pq->ptail == NULL;
}
void QueuePop(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	//只有一个节点的情况,避免ptail变成野指针
	if (pq->ptail == pq->phead)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}



QDataType QueueFront(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}


QDataType QueueBack(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}


int QueueSize(Q* pq)
{
	assert(pq);

	//不规范且时间复杂度O(n)
	//int size = 0;
	//QNode* pcur = pq->phead;
	//while (pcur)
	//{
	//	size++;
	//	pcur = pcur->next;
	//}
	//return size;


	return pq->size;

}



void QueueDestroy(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	QNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

对于队列这一种结构的实现，因为和单链表差异也不大，更细节的内容就没有过多赘述，对以单链表的实现方法有什么疑问的话，推荐先去看这一篇哦-> 单链表的实现方法

以上就是队列的实现方法啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，您的支持是我创作的最大动力！❤️

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